4-20mA 스마트 송신기의 크기를 대폭 줄이는 통합 SoC
4-20mA 스마트 송신기의 크기를 대폭 줄이는 통합 SoC
글: 프랑코 콘타디니(Franco Contadini) 수석 FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)
개요
스마트 송신기는 이득과 오프셋을 정규화하고, 센서에서부터 들어오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 선형화하며, 마이크로컨트롤러(MCU)의 산술 알고리즘으로 신호를 처리한 다음, 다시 아날로그로 변환하여 결과를 루프를 통해 표준 전류로 전송할 수 있다. 또한 스마트 송신기는 4-20mA 신호와 트위스트 페어 라인을 공유하는 디지털 통신 기능도 추가적으로 지원한다. 그 결과, 통신 채널을 통해 센서 데이터와 함께 전송 제어 및 진단 신호를 전달할 수 있다. 이 SoC는 아날로그 프런트 엔드(AFE), 마이크로컨트롤러, HART® 및 4-20mA 송신기 기술을 통합하고 있어 4-20mA 스마트 송신기의 소형화를 실현한다.
머리말
4-20mA 전류 루프는 산업 공정 모니터링 애플리케이션에서 온도와 압력과 같은 센서 정보를 전송하는 일반적인 기술을 제공한다. 전류 루프는 신호가 비교적 잡음에 민감하지 않고 원격으로 공급되는 전압에서 전력을 가져올 수 있기 때문에 정보가 먼 거리를 이동해야 하는 경우 특히 유용하다. 이 글에서는 4-20mA 시스템과 발전, 그리고 외부 부품 수를 최소화하여 전체 솔루션 크기를 줄이고 신뢰성을 향상시키는 칩셋을 간략히 살펴본다.
4-20mA 센서의 개요 및 발전
간단한 4-20mA 시스템(그림 1)에서, 센서의 출력 전압은 먼저 비례 전류로 변환된다. 여기서 4mA는 센서의 제로 레벨 출력을 나타내며, 20mA는 풀 스케일 출력을 나타낸다. 원격단의 수신기는 4-20mA 전류를 다시 전압으로 변환하는데, 이는 컴퓨터나 디스플레이 모듈에 의해 추가로 처리될 수 있다.
업계의 요구에 부응하여, 마이크로프로세서와 데이터 컨버터를 사용하여 원격으로 신호를 조절하는 스마트 송신기(그림 2)가 개발되었다. 스마트 송신기는 이득과 오프셋을 정규화하고, 센서에서부터 들어오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 선형화하며, 마이크로컨트롤러(MCU)의 산술 알고리즘으로 신호를 처리한 다음, 다시 아날로그로 변환하여 결과를 루프를 통해 표준 전류로 전송할 수 있다.
계측 장비가 적절히 보정되고 작동한다면 출력 신호는 4mA~20mA 사이에 있어야 하지만, 때로는 프로세스 조건이 정상 동작에서 벗어나는 경우가 있다. 이 경우, 표준에 부합하는 송신기는 최대 20.5mA까지 출력할 수 있다. 그러면 출력 신호는 정상 범위를 벗어나 포화 영역에 존재하게 된다. 유사하지만 더 작은 포화 영역은 측정 범위의 맨 아래에 있다.
스마트 측정 장치는 센서나 컨버터의 고장과 같은 내부 결함을 탐지할 수 있다. 이러한 오류가 발생할 경우 표준에 부합하는 계측기의 마이크로프로세서는 사용자가 페일-세이프 모드를 어떻게 설정했는지에 따라 출력 신호를 3.6mA 또는 21.0mA로 설정한다.
고장 정보의 신호 세기(그림 3)는 NAMUR NE43 권고안에 의해 표준화되었다.1
이에 따라 송신기 전자장치에 대한 전원 공급에 사용할 수 있는 전류는 약 3.5mA로 제한되기 때문에, 해당 애플리케이션에 사용할 디바이스를 선택할 때에는 이를 신중하게 고려해야 한다.
기술이 더욱 발전하면서 4-20mA 신호와 트위스트 페어 라인을 공유하는 디지털 통신 기능이 추가되었다. 이러한 결합 덕분에, 센서 데이터와 함께 제어 및 진단 신호 전송이 가능해졌다.
통신 표준은 주파수 편이 변조 방식(frequency shift keying, FSK)을 사용하는 HART 프로토콜이다. 여기서 비트 1과 0은 1200Hz와 2200Hz의 주파수로 표시된다. 이러한 주파수의 사인파를 센서의 DC 아날로그 신호에 중첩하여 아날로그 및 디지털 통신을 동시에 제공한다(그림 4). FSK 신호의 평균값은 항상 ‘0’이기 때문에 4-20mA 아날로그 신호는 영향을 받지 않는다.
HART 명령 세트(그림 5)는 모든 현장 기기에 균일하고 일관된 통신을 제공하며, 여기에는 공통 명령, 일반 명령, 특정 명령이라는 세 가지 종류의 명령이 있다. HART 프로토콜을 사용하는 모든 기기들은 주요 변수 및 장치의 읽기와 같은 공통 명령을 인식하고 지원해야 한다. 일반 명령은 보정, 자가 테스트, 다변수 읽기와 같은 대부분의 기기에 의해 구현되는 기능을 제공한다. 특정 기기에 적용되는 명령은 각 현장 기기에 고유한 기능을 나타낸다.
각 HART 기기는 제조사 ID 코드, 기기 유형 코드, 기기 고유 식별자로 구성되는 38비트 주소를 갖는다.
초저전력 4-20mA 센서 송신기
MAX12900은 10개의 블록을 포함하는 통합 송신기다(그림 6).
그림 6을 왼쪽부터 살펴보면, 먼저 마이크로컨트롤러에서 수신된 센서 데이터는 coarse(PWMAP) 및 fine(PWMBP) PWM 신호로 정렬되고 버퍼링되어 합산된 후에는 저역 통과 필터를 통해 전압 레벨 표현으로 변환된다(OP1 블록). 그림 6의 경우, coarse 이득은 1(R5/R3)로 설정되며, fine 이득은 1/66(R5/R4)로 설정된다. OP3은 정밀 전압 레퍼런스 및 외부 MOSFET(Q1)과 결합하여 정밀 전압 제어 전류 소스를 구현한다. 이 애플리케이션 사례에서는 2차 범용 증폭기(OP2)가 전류 루프를 측정하고 마이크로컨트롤러에 피드백을 제공하는 데 사용된다. 2개의 비교기가 전원 전압과 내부 LDO 전압을 모니터링하는 데 사용된다. 전원 공급장치 시퀀서는 정확한 시동을 보장하고, LDO 출력이 (전압 분배기에 의해 설정되는)최종 값의 90%에 도달하면 전원 양호(power good) 신호를 발생한다.
AFE와 HART 모뎀을 통합한 초저전력 Arm Cortex-M4F
MAX32675C(그림 7)는 산업 애플리케이션을 위한 고도로 통합된 초저전력 혼성 신호 마이크로컨트롤러이다. 이 디바이스는 초저전력 Arm® Cortex®-M4를 기반으로 부동소수점 처리장치(FPU), 다양한 디지털 주변장치 및 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 통합하고 있다.
이 AFE는 저전력 HART 모뎀, 2개의 12채널 시그마-델타 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA) 및 12비트 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 통합하고 있다.
통합 AFE
MAX32675C는 차동 또는 단일 종단으로 구성할 수 있는 다중화된 12개의 아날로그 입력을 공유하는 Σ-Δ ADC의 2가지 인스턴스를 제공한다. 각 ADC 앞에는 1에서 128까지 8개의 사용 가능한 이득을 갖는 PGA가 있다. PGA 출력은 추가적인 필터링을 위해 외부에서 액세스할 수 있다. 여러 개의 레퍼런스 입력은 유연성을 높여준다. 통합된 50ppm 레퍼런스 전압은 1.024V, 1.5V, 2.048V, 2.5V로 프로그래밍할 수 있다. 센서는 16 레벨의 프로그래밍 가능한 전류 소스 또는 고정 전압 소스(VDD/2)를 사용하여 바이어스할 수 있다(그림 8).
ADC 기능
ADC는 필요 시 내부 오프셋과 이득 오차, 시스템 오프셋과 이득 오차를 자동으로 보정하고, 보정 값을 전용 레지스터에 저장할 수 있다. PGA에는 8개의 개별 이득 보정 레지스터가 있다.
자가 보정 루틴에는 시스템의 오프셋과 이득을 변경할 수 있는 입력 핀을 구동하는 소스 신호와 같은 외부 효과는 포함되지 않는다.
시스템 보정은 선택한 입력 핀에 제로 스케일 신호 또는 풀 스케일 신호를 제공하고 시스템 제로 스케일 또는 시스템 이득 보정 명령을 개시함으로써 시스템 제로 스케일 및 시스템 풀 스케일을 보정할 수 있다.
시스템 보정 값을 자동으로 생성하지 않고, 보정 값을 내부 보정 레지스터에 직접 입력할 수도 있다.
보정 값은 다음의 공식 1에 따라 ADC_DATA 레지스터에 저장된 변환 결과에 적용된다:
여기서,
ADC_DATA는 ADC 데이터 결과 목적지 레지스터이다.
변환은 보정 결과가 적용되기 전 ADC의 변환 결과이다.
ADC_SELF_GAIN [1:128]은 선택된 이득에 대한 내부 이득 교정 값이다.
ADC_SELF_OFF는 내부 오프셋 교정 값이다.
ADC_SYS_GAIN은 시스템 이득 교정 값이다.
ADC_SYS_OFF는 시스템 오프셋 교정 값이다.
설정 가능한 디지털 필터는 선택 가능한 노치 주파수와 선택 가능한 데이터 속도를 가질 수 있다.
동시 50Hz/60Hz 제거 유한 임펄스 응답(FIR) 필터는 16 SPS에서 50Hz 및 60Hz의 90dB 이상을 제거하고, 해당 고조파의 상당한 양을 제거한다. 50Hz 및 60Hz FIR 필터 설정은 해당 주파수에 대해 더 낮은 수준의 감쇠를 제공하지만, 동시 50Hz/60Hz FIR 필터에서 사용 가능한 수준보다 더 빠른 변환 속도(40 SPS)에서 수행된다.
sinc4 설정은 24비트 정확도의 경우 최대 1989 SPS, 16비트 정확도의 경우 15360 SPS까지 연속 데이터 속도로 동작할 수 있는 4차 SINC 필터를 구현할 수 있게 해준다.
시퀀서는 명령 시퀀스를 시퀀스 버퍼 레지스터에 프로그래밍할 수 있는 강력한 기능이다(그림 9). 시퀀스 완료는 인터럽트를 발생하도록 설정할 수 있다.
시퀀서가 사용할 수 있는 ADC 변환 출력을 저장하는 8개의 레지스터가 있다.
이 밖에 8개의 변환 레지스터와 연관된 8개의 하한/상한 비교 임계값 레지스터가 있다. 비교 결과는 상태 레지스터에 저장된다.
서모커플 측정을 위해 설정된 AFE
측정
AFE는 서모커플을 사용하여 온도를 측정하도록 설정할 수 있다(그림 10). 서모커플 전압은 정밀 전압 레퍼런스를 사용하여 측정하지만, 냉접점의 온도는 개별 센서가 측정해야 한다. 이는 저항 온도 검출기(RTD)를 사용하여 측정하는 예를 들 수 있다.
서모커플 측정의 경우, PGA 이득은 사용되는 유형에 따라 적정 값으로 설정된다. K-타입 서모커플은 최대 54mV 전압을 생성하며, 32의 PGA 이득을 사용하면 약 1.7V의 출력이 생성된다. 이 서모커플은 내부 전압 발생기를 사용하여 VDD/2(AIN5)로 바이어스된다.
RTD를 사용하는 냉접점 온도 측정의 경우, 전류 소스 IDAC0은 AIN10에서 200μA를 제공하도록 설정된다. 전류는 RTD와 레퍼런스 저항(RREF)을 통해 흐르며, 측정의 레퍼런스 전압으로 사용되는 RREF에서 800mV의 전압 강하가 발생한다. 동일한 전류가 RTD와 RREF를 통해 흐르기 때문에, 변환 데이터는 RTD 저항 대 REF의 비율이 된다.
HART 모뎀
이 디바이스는 1200Hz/2200Hz FSK 신호의 변조 및 복조를 통합한다. 이 모뎀(그림 11)은 전력 소모가 매우 적고, 신호 프로세싱을 통합하고 있기 때문에 단 몇 개의 외부 부품만 필요하다. 입력 신호는 ADC에서 샘플링된 후 디지털 필터/복조기를 거친다. 변조기는 1200Hz ~ 2200Hz 사이의 위상 연속 스위칭으로 깨끗한 신호를 제공한다. SPI 인터페이스가 주변기기 레지스터의 설정에 사용되지만, 통신은 UART를 사용한다.
스마트 송신기 구현
MAX12900과 MAX32675C를 결합하면 외부 부품을 거의 사용하지 않으면서 스마트 송신기 설계를 구현할 수 있으므로(그림 12) 전체 솔루션 크기를 줄일 수 있다. MAX32675C는 8mm × 8mm 패키지로 제공되며, MAX12900은 5mm × 5mm 패키지로 제공된다.
결론
MAX12900과 MAX32675C의 결합은 4-20mA 스마트 송신기 크기를 줄여주고, 여러 센서 유형을 지원하여 유연성을 향상시키며, 시스템의 안정성을 높인다. 여러 개의 레퍼런스 입력과 듀얼 ADC는 시스템의 이중화 성능을 높여준다. 비교기와 예비 연산 증폭기는 공급 전압과 출력 전류 같은 주요 파라미터를 모니터링하므로 SIL 구현을 간소화한다.
참고문헌
1 NAMUR—User Association of Automation Technology in Process Industries.
저자 소개
프랑코 콘타디니(Franco Contadini)는 전자 업계에서 35년 이상 경력을 쌓아 왔으며, 10년간 보드 및 ASIC 설계 엔지니어를 거쳐 산업, 통신, 의료 분야 고객을 지원하는 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 자리를 옮겨 전원, 배터리 관리, 신호 체인, 암호화 시스템 및 마이크로컨트롤러를 담당하고 있다. 신호 체인 및 전원에 관한 여러 애플리케이션 노트와 기사를 저술했다. 이탈리아 제노바의 ITIS에서 전자공학을 전공했다.